蘇霞

（中航飛機西安飛機分公司，陜西 西安 710089）

先進復合材料制造技術

Advanced composites manufacturing technology

蘇霞

（中航飛機西安飛機分公司，陜西 西安 710089）

復合材料由于其輕質高強高模量，優(yōu)異的疲勞性能、耐久性和良好的損傷容限，已成為各類軍民航空裝備的關鍵材料，復合材料的用量已成為衡量現(xiàn)代飛機先進性的重要標志之一。復合材料制造技術也逐漸向自動化、專業(yè)化、單元化、低成本方向發(fā)展。本文主要介紹先進復合材料制造技術。

復合材料；自動鋪放；液體成型；熱隔膜輔助成型；拉擠成型

復合材料自20世紀60年代中期問世以來，在飛機結構上的應用走過了一條由小到大、由次到主、由局部到整體、由結構到功能、由軍機應用擴展到民機應用的發(fā)展道路，復合材料制造技術也經歷了“面向減重”、“面向設計”、“面向制造”、“面向買得起”四個發(fā)展歷程。以美國為主導的美、歐等世界航空發(fā)達國家，進行了一系列國家級的專題研究計劃，如美國ACEE、ACT、CAI、AvSP計劃，歐洲TANGO、ALCAS計劃，取得大量的研究成果，推動了復合材料制造技術飛速發(fā)展，為復合材料在飛機上的大面積應用奠定了基礎。

1 熱壓罐固化技術

熱壓罐固化技術是航空復合材料結構件制造的主流工藝，目前已形成完整技術體系，熱壓罐制造技術生產的制件具有纖維體積含量高、力學性能可靠等優(yōu)點。其主要缺點在于熱壓罐設備生產耗能大以及熱壓罐本身采購成本高，隨著復合材料料的大幅度應用，飛機結構的整體化設計，復合材料制件尺寸不斷增加，為了滿足大制件熱壓罐固化的需求，熱壓罐的三維尺寸也在不斷加大。目前世界上最大的熱壓罐是ASC公司生產的用于制造波音787復合材料機身段的熱壓罐。該熱壓罐作業(yè)區(qū)面積為9 m×23 m，容積2 214 m3，提供的最大壓力為1.02 MPa，最高使用溫度為232 ℃，重量達500 t以上。

2 非熱壓罐固化技術（Out of Autoclave，OoA）

復合材料非熱壓罐固化（OoA）技術避免使用熱壓罐，是真空壓力下，固化爐內或室溫下的固化的一種技術，非熱壓罐固化技術在過去一直備受爭議，認為其制件力學性能有所下降，如波音787有些制件經歷了由非熱壓罐固化到熱壓罐固化的反復。但是目前越來越多的制造商認為非熱壓罐固化確實會使制件纖維體積含量有所下降，但其影響甚小，而且非熱壓罐固化綜合成本效益高，因此非熱壓罐固化技術發(fā)展空間較大，目前非熱壓罐固化包括低溫固化材料體系、低溫固化樹脂技術、電子束固化技術等。美國空軍實驗室在先進復合材料貨運飛機（ACCA）上驗證用了非熱壓罐復合材料（MTM45-1）成型大型整體結構件的可行性。2009年6月2日ACCA的成功首飛標志著非熱壓罐固化技術在復未來航空產品的大量應用又向前邁出了實質性的一步。

3 自動鋪放技術

為提高航空復合材料制件的高質量和高制造效率，自動化制造技術及其能力進一步得到了提升，自動鋪帶機（Automated Tape Laying，ATL）與自動鋪絲機（Automated Fiber Placement，AFP）應用而生，目前已成為現(xiàn)代先進大型飛機制造的關鍵設備。最初由飛機制造商波音公司聯(lián)合設備生產商CinCinate Machine和Cytec公司共同開發(fā)，于1970年代開始研制自動鋪帶機，并早于1983年投入生產使用，他們從鋪窄帶（7.62 cm）到鋪寬帶（30.48 cm）再到鋪曲面，目前已研發(fā)生產了3代鋪帶機，F(xiàn)-16的80%的蒙皮件，F(xiàn)-22的機翼壁板，B777、B787零件等均采用自動鋪放設備。近年來，由于大尺寸復合材料制件制造的迫切需求，進一步推動了ATL/AFP機床的發(fā)展和應用。

3.1 自動鋪帶技術

自動鋪帶技術用來鋪放不同帶寬的預浸料，適合鋪放形狀相對比較簡單的復合材料構件。自動鋪帶機分為平板式和曲面兩種，自動鋪帶系統(tǒng)按預浸帶切割和鋪疊方式可分為“一步法”和“兩步法”兩種工作方式，目前自動鋪帶機在美國和歐洲應用已經十分普遍，自動鋪帶最大寬度可達到300 mm，鋪帶速度達1.3~20.4 kg/h，生產效率可達到手工鋪疊的數(shù)十倍。目前最大的自動鋪帶機尺寸為40 m×8 m，鋪設速度可達60 m/min。波音787翼面及翼盒構件均采用自動鋪帶技術制造。不同制造商生產的自動鋪帶機略有不同，A350采用“TORRES LAYUP”11軸的龍門式高速鋪帶機，可鋪300 mm、150 mm和75 mm的寬帶，鋪帶頭內裝有預浸帶缺陷檢測系統(tǒng)。自動鋪帶機現(xiàn)已發(fā)展到第三代，鋪帶時可自動加熱，逐層壓實，并帶有激光控制鋪帶定位系統(tǒng)。A350碳纖維機身壁板的自動鋪帶如圖1所示。

圖1 A350碳纖維機身壁板的自動鋪層加工

3.2 自動鋪絲技術

自動鋪絲技術是在纖維纏繞成型技術和自動鋪帶技術的基礎上發(fā)展起來的，自動鋪絲機與自動鋪帶機相比，其主要優(yōu)點在于能夠自動切紗適應邊界，可鋪局部加強，可變角度鋪放，適應于大曲率機身和復雜曲面成型。目前鋪絲速度可達6.8~11.3 kg/h，最高可達23 kg/h。格·辛辛那提公司生產的品牌Viper鋪放機，已從Viper1200、Viper3000升級到Viper6000，其纖維鋪放系統(tǒng)采用先進的計算機控制，可鋪放不同厚度、高度及結構的多種制件，而且廢料量只有2%。其中最新型號是Viper6000能操作86 180 kg的芯軸，可以鋪放并控制的絲束由24束增加到32個纖維束，使鋪層帶寬從7.6 cm增到10.2 cm，其鋪放速度達到30 m/min，精度±1.3 mm。目前沃特飛機公司采用這種鋪放機生產波音787的機身段，可鋪放直徑6.5 m、長17 m的工件。如圖2所示。

圖2 B787機身桶段自動鋪絲

4 熱隔膜輔助成型技術

熱隔膜輔助成型技術原是一種為熱塑性復合材料開發(fā)的成型工藝，后來逐漸應用于熱固性復合材料制件預成型。

由于熱隔膜輔助成型技術與自動鋪放技術相結合，充分利用了自動鋪帶技術優(yōu)點，使得成型梁、長桁等復合材料構件的效率大大提高。熱隔膜成型技術已在B777長桁、V—22長桁和A400M機翼前梁等大型構件中得到成功應用，并且為了A400機翼大梁制造，美國Aeroform公司專門為其設計制造了20多米的熱隔膜成型設備。熱隔膜輔助成型技術在成型過程中層間纖維不易滑動、R區(qū)不易產生皺褶的，非常適用于制造“C”形截面梁及長桁等制件。在ALCAS計劃中，這種成型方法已被譽為加工飛機前梁的一種典型工藝方法。

5 拉擠成型技術

拉擠成型技術主要用來制造R區(qū)填充物和復合材料型材，其工藝原理是將已潤濕的樹脂膠液的連續(xù)纖維束或帶在牽引力的作用下，通過成型模成型，可生產不同形狀的填充物或可通過固化連續(xù)生產出長度不受限制的復合型材。拉擠成型技術經過不斷發(fā)展改進，已從開始的等截面發(fā)展到截面形狀可變面積不變的拉擠制品。拉擠成型由于纖維按縱向排列，其制品拉伸強度和彎曲強度較高，而且生產效率高，易于控制，產品質量穩(wěn)定，但是也由于具有明顯的方向性，其橫向強度差，只限于生產型材和R區(qū)填充物。日本JAMCO公司采用先進拉擠技術為空客A310、A320及A330的巨大垂直尾翼生產了加強板和簡支梁。A380的支撐雙層艙客機的上層地板也是采用JAMCO公司提供的拉擠成型設備制造的。

6 復合材料液體成型技術

液體成型技術是一種低成本復合材料制造方法。復合材料液體成型術是以樹脂轉移成型（RTM，Resin transfer molding）為主體，包括各種派生的RTM技術，大約有25~30種之多，其中以RTM、真空輔助成型（VARI，Vacuum Assisted Resin Infusion）和樹脂膜熔滲成型（RFI，Resin Film Infusion）技術為代表的復合材料低成本液體成型技術，引起人們的廣泛關注，成為當前國際復合材料領域研究與發(fā)展的主流。液態(tài)成型工藝里程碑式的成果是2014年俄羅斯研制成功的MS-21單通道客機。該客機采用液體工藝成型制造機翼主承力件，將促進復合材料構件制造從熱壓罐成型向液體成型的變革。

6.1 RTM成型技術

RTM成型工藝的基本原理是將纖維增強材料，鋪放到封閉模具的模腔內，用壓力將樹脂混合膠液注入模腔，并浸透纖維增強材料，然后固化，脫模成型為制件。1996年美國防務預研局率先開展了高強度主承力構件的低成本RTM制造技術研究，從而使RTM成型技術逐漸獲得了應用。A380上艙門連接件、副翼梁、中央翼盒的5個工字梁、襟翼導軌面板、懸掛接頭以及機身框等采用RTM技術制造。F—35垂危采用RTM成型技術制造，如圖3所示，該制件長3.65 m，重90 kg，減少緊固件1 000余個。RTM技術的優(yōu)點是產品尺寸精確、損傷容限高、孔隙率小、整體化，可用于生產的復雜結構的制件，比如接頭、波紋梁等。

圖3 F35垂尾

6.2 VARl成型技術

VARI成型技術主要特點是使用單面模具，基本工藝原理是將纖維預成型體放置在模具上，在一個真空作用下使液態(tài)樹脂在預成型體內流動并浸潤纖維，再經升溫固化、冷卻脫模成型為制件。VARI應用最典型的制件是A400M運輸機的貨艙門，該制件由歐洲防務公司研制，于2007年成功應用，如圖4所示，該艙門尺寸7 m×4 m，數(shù)根長桁與外蒙皮整體固化，零件整體性提高，省卻了大量的裝配工時，據(jù)統(tǒng)計約減少了3 000個裝配工時。VARI成型技術優(yōu)點是采用單面模具，其全工藝過程都是在室溫、真空條件下完成的，因此不需要熱壓罐，省卻了熱壓罐及配套設備的投入。

圖4 A400貨運艙門

6.3 RFl成型技術

RFI成型技術工藝原理是將樹脂預先制成樹脂膜，裁切成相應的尺寸放在成型模具上，再覆蓋上纖維預成型體，然后進行制袋封裝，通過加熱使樹脂膜熔融，在一定的真空壓力下，熔融的樹脂浸漬纖維并填充滿整個纖維預成型體的空隙，再經升溫固化、冷卻脫模成型為制件。早在20世紀70年代，美國國家航空航天局（NASA）率先進行RFI工藝及其樹脂膜研究，到90年代，Mc Donnell Dougl公司就用RFI工藝制造出商業(yè)運輸機的機翼結構。隨后美國航空航天局和波音公司也利用該工藝成功制造出了13 m長的商用飛機機翼蒙皮。A380后壓力框采用RFI成型技術制造，如圖5所示，該制件尺寸6.2 m×5.5 m×1.6 m，15個泡沫加筋。RFI作為液體模塑成型技術的一種，除了具有其它工藝（RTM、VARI等）所具有的制造成本低的優(yōu)點外還在大尺寸制件、加筋結構制件的制造方面具有一定的優(yōu)勢。

圖5 A380后承壓框

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（R-06）

ABS樹脂新產品或能滿足汽車行業(yè)嚴格要求

據(jù)記者獲悉，德國塑料加工展覽會舉辦在即，屆時abs供應商Elix Polymers將展出新一代車用ABS樹脂材料。該系列材料是Elix Polymers針對汽車行業(yè)推出的新產品，新產品能夠滿足汽車行業(yè)嚴格的要求，適合制成內飾件和外飾件。

Elix Polymers是歐洲最重要的ABS和衍生產品生產商之一，成立于1975年。曾是英力士旗下子公司，在2011年脫離英力士，成為天然預著色ABS及ABS特殊產品的獨立生產商。

通過本屆Fakuma，Elix Polymers還將強調，為了滿足全球客戶的業(yè)務需求，公司是如何在全球擴展產能的。該公司近期加強了在北美地區(qū)的業(yè)務活動，聚焦于ABS和PC/ABS產品，主打產品是ABS特殊材料，預著色級別將能按客戶需求進行定制，同時還有新一代高耐熱ABS。

這一系列的高耐熱ABS樹脂具備很多性能優(yōu)勢：超低排放量、高流動性，提供高度平衡的機械性能，氣味小、高度耐熱，加工性能和涂覆性能都很卓越。

摘編自“環(huán)球塑化”

TB33

1009-797X (2015) 24-0049-04

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.24.016

蘇霞（1983-），女，畢業(yè)于西北工業(yè)大學，研究生，從事工作為復合材料制造。

2015-11-06